Преглед на съвременните протоколи в системите за промишлена автоматизация

В предишната публикация разказахме как работят шините и протоколите в промишлената автоматизация. Този път ще се фокусираме върху съвременните работни решения: ще разгледаме какви протоколи се използват в системите по целия свят. Ще проучим технологиите на немските компании Beckhoff и Siemens, австрийската B&R, американската Rockwell Automation и руския Fastwel. А също така ще изучим универсалните решения, които не са обвързани с конкретен производител, като EtherCAT и CAN. 

В края на статията ще има сравнителна таблица с характеристиките на протоколите EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.

Не включихме в прегледа протоколите PRP, HSR, OPC UA и други, тъй като по тях в Хабра вече има отлични статии на нашите колеги-инженери, които се занимават с разработката на системи за промишлена автоматизация. Например, «Протоколите за "безшевно" резервиране PRP и HSR» и «Ш gateways на индустриалните протоколи за обмен на Linux. Събери сам».

Първо нека определим терминологията: Industrial Ethernet = промишлена мрежа, Fieldbus = полева шина. В руската промишлена автоматизация се случват обърквания с термините, свързани с полевата шина и индустриалната мрежа от долно ниво. Често тези термини се обединяват в едно размито понятие "долно ниво", което се именува и полева шина, и шина от долно ниво, въпреки че това може да не е шина изобщо.

Защо е така?Това объркване вероятно е свързано с факта, че в много съвременни контролери свързването на входно-изходните модули често се реализира с помощта на обединителна платка (англ. backplane) или физическа шина. Тоест, използват се определени шинни контакти и свързвачи, за да се обединят няколко модула в единен възел. Но такива възли, от своя страна, могат да бъдат свързани помежду си както с индустриална мрежа, така и с полева шина. В западната терминология има ясно разделение: мрежа — това е мрежа, шина — това е шина. Първото се обозначава с термина Industrial Ethernet, второто — Fieldbus. В статията за тези понятия се предлага да се използват термините "индустриална мрежа" и "полева шина" съответно.

Стандарт на индустриалната мрежа EtherCAT, разработка на компанията Beckhoff

Протоколът и индустриалната мрежа EtherCAT е, вероятно, един от най-бързите досега начини за предаване на данни в автоматизационните системи. Мрежата EtherCAT се използва успешно в разпределените автоматизационни системи, където взаимодействат узли, разположени на голямо разстояние.

Протоколът EtherCAT използва стандартни Ethernet кадри за предаване на своите съобщения, поради което се запазва съвместимостта с всяко стандартно Ethernet оборудване и, по същество, получаването и предаването на данни могат да се организират на всеки Ethernet контролер, при наличие на съответния софтуер.

Контролерът Beckhoff с набор от входно-изходни модули. Източник: www.beckhoff.de

Спецификацията на протокола е отворена и достъпна, но само в рамките на асоциацията за разработка — EtherCAT Technology Group.

Ето как работи EtherCAT (зрелището е завладяващо, като играта Zuma Inca):

Високата скорост на обмен в този протокол — става дума за единици микросекунди — е реализирана благодарение на това, че разработчиците са се отказали от обмена чрез съобщения, изпращани директно на конкретно устройство. Вместо това в мрежата EtherCAT се изпраща едно съобщение, адресирано до всички устройства, като всеки от подчинените узли за събиране и предаване на информация (често наричани УСО — устройство за свързване с обект) „взема на лету“ тези данни, които са предназначени за него, и вмъква в съобщението данните, които е готов да предостави за обмен. След това съобщението се изпраща на следващия подчинен узел, където се случва същата операция. След като премине през всички УСО, съобщението се връща на главния контролер, който въз основа на получените от подчинените устройства данни реализира логиката на управление, отново взаимодействайки чрез съобщението с подчинените узли, които издават управляващ сигнал на оборудването.

Мрежата EtherCAT може да има всяка топология, но по същество винаги ще бъде пръстен — заради използването на пълнодуплексен режим и два Ethernet конектора. Така съобщението винаги ще се предава последователно на всяко устройство на шина.

Схематично представяне на мрежата EtherCAT с няколко узла. Източник: realpars.com

Упс, спецификация EtherCAT не ограничава физическото ниво 100Base-TX, така че реализацията на протокола е възможна на базата на гигабитни и оптични линии.

Отворени индустриални мрежи и стандарти PROFIBUS/NЕТ на компанията Siemens

Немската корпорация Siemens отдавна е известна със своите програмируеми логически контролери (PLC), които се използват по целия свят.

Обменът на данни между възлите на автоматизирана система, управлявана от оборудване на Siemens, се реализира както по полевата шина, наречена PROFIBUS, така и в индустриалната мрежа PROFINET.

Шината PROFIBUS използва специален двужилен кабел с конектори DB-9. При Siemens той е лилав, но на практика сме срещали и други :). За свързване на няколко възела конекторът може да свързва два кабела. Също така в него има превключвател за терминален резистор. Терминалният резистор трябва да бъде включен на крайните устройства на мрежата, така сe съобщава, че това е първото или последното устройство, а след него вече няма нищо, само мрак и пустота (всички rs485 работят по този начин). Ако на междинния конектор се включи резистор, следващото след него отсечка ще бъде изключена.

Кабел PROFIBUS с свързващи конектори. Източник: VIPA ControlsAmerica

В мрежата PROFINET се използва аналог на усукана двойка, като правило с конектори RJ-45, кабелът е боядисан в зелен цвят. Ако топологията на PROFIBUS е шинна, то топологията на мрежата PROFINET може да представлява всичко: било то пръстен, звезда, дърво, или всичко заедно.

Контролер Siemens с свързан кабел PROFINET. Източник: w3.siemens.com

Съществуват няколко протокола за обмен по шината PROFIBUS и в мрежата PROFINET.

За PROFIBUS:

1. PROFIBUS DP — реализирането на този протокол предполага свързване с отдалечени подчинени устройства, а в случая на PROFINET, на този протокол отговаря протоколът PROFINET IO.
2. PROFIBUS PA — е по същество същия като PROFIBUS DP, само че се използва за взривозащитени версии на предаване на данни и захранване (аналог на PROFIBUS DP с различни физически свойства). За PROFINET засега не съществува взривозащитен протокол по аналогия с PROFIBUS.
3. PROFIBUS FMS — предназначен за обмен на данни с системи на други производители, които не могат да използват PROFIBUS DP. Аналог на PROFIBUS FMS в мрежата PROFINET е протоколът PROFINET CBA.

За PROFINET:

1. PROFINET IO;
2. PROFINET CBA.

Протоколът PROFINET IO се дели на няколко класа:

• PROFINET NRT (без реално време) — използва се в приложения, където времевите параметри не са критични. В него се използва протоколът за предаване на данни Ethernet TCP/IP, както и UDP/IP.
• PROFINET RT (реално време) — тук обменът на входни/изходни данни е реализиран с помощта на Ethernet кадри, но диагностичните данни и данните за връзка все още се предават чрез UDP/IP. 
• PROFINET IRT (изохронно реално време) — този протокол е разработен специално за приложения за управление на движението и включва изохронна фаза на предаване на данни.

Що се отнася до реализирането на протокола за стриктно реално време PROFINET IRT, за комуникации с отдалечени устройства в него се отделят два канала за обмен: изохронен и асинхронен. Изохронният канал с фиксирана по време дължина на цикъла на обмена използва тактова синхронизация и предава критични за времето данни, като за предаване се използват телеграмми от второ ниво. Продължителността на предаване в изохронния канал не надвишава 1 милисекунда.

В асинхронния канал се предават така наречените real-time данни, които също се адресират посредством MAC адреса. Допълнително се предава различна диагностична и спомагателна информация, вече върху TCP/IP. Нито real-time данните, нито, разбира се, друга информация, не могат да прекъснат изохронния цикъл.

Разширеният набор от функции PROFINET IO не е необходим за всяка система за промишлена автоматизация, затова този протокол се мащабира според конкретния проект, отчитайки класовете на съответствие или класовете на приложение (conformance classes): CC-A, CC-B, CC-CC. Класовете на съответствие позволяват избор на полеви устройства и магистрални компоненти с минимално необходима функционалност. 

Източник: PROFINET университетски урок

Вторият протокол за обмен в мрежата PROFINET — PROFINET CBA — служи за организиране на промишлена комуникация между оборудването на различни производители. Основната производствена единица в системите СВА е някаква същност, наречена компонент. Този компонент обикновено представлява съвкупност от механичната, електрическата и електронната част на устройството или инсталацията, както и съответното приложно софтуерно осигуряване. За всеки компонент се избира софтуерен модул, който съдържа пълно описание на интерфейса на този компонент по изискванията на стандарта PROFINET. След това тези софтуерни модули се използват за обмен на данни с устройствата. 

Протокол Ethernet POWERLINK на компания B&R

Протоколът Powerlink е разработен от австрийската компания B&R в началото на 2000-те години. Това е още една реализация на протокола в реално време върху стандарта Ethernet. Спецификацията на протокола е налична и се разпространява свободно. 

В технологията Powerlink се прилага механизъм, наречен смесено запитване, при който цялото взаимодействие между устройствата се дели на няколко фази. Особено критичните данни се предават в изохронната фаза на обмена, за която се задава необходимото време за реакция, останалите данни ще бъдат предавани по възможност в асинхронната фаза.

Контролер B&R с набор от модули за вход-изход. Източник: br-automation.com

Първоначално протоколът беше реализиран върху физическия слой 100Base-TX, но по-късно беше разработена и гигабитна реализация.

В протокола Powerlink се използва механизъм за планиране на обмена. В мрежата се изпраща някакъв маркер или управляващо съобщение, с помощта на което се определя кое от устройствата в момента има разрешение за обмен на данни. В всеки момент само едно устройство може да има достъп до обмена.

Схематично представяне на мрежата Ethernet POWERLINK с няколко възела.

В изохронната фаза, запитващият контролер последователно изпраща запитване до всеки възел, от който е необходимо да се получат критични данни. 

Изохронната фаза се изпълнява, както вече беше казано, с настраиваемо време на цикъл. В асинхронната фаза на обмена се използва стек на протокола IP, контролерът изисква некритични данни от всички възли, които изпращат отговори, когато получат достъп до предаване в мрежата. Съотношението на времето между изохронната и асинхронната фаза може да бъде настроено ръчно.

Ethernet/IP протокол от Rockwell Automation

Ethernet/IP протоколът е разработен с активното участие на американската компания Rockwell Automation през 2000 година. Той използва стек TCP и UDP IP и го разширява за приложение в промишлената автоматизация. Втората част от името, противно на общоприетото мнение, не означава Internet Protocol, а Industrial Protocol. UDP IP използва комуникационния стек на протокола CIP (Common Interface Protocol), който също се използва в мрежи ControlNet / DeviceNet и се реализира над TCP/IP.

Спецификацията Ethernet/IP е обществено достъпна и се разпространява безплатно. Топологията на мрежата Ethernet/IP може да бъде произволна и да включва пръстен, звезда, дърво или шина.

В допълнение към стандартните функции на протоколите HTTP, FTP, SMTP, Ethernet/IP реализира предаване на данни с критична времева доставка между опрашващия контролер и устройствата за вход/изход. Предаването на некритични данни по време се осигурява от TCP пакети, а критичната времева доставка на циклични данни за управление протича по протокола UDP. 

За синхронизация на времето в разпределени системи Ethernet/IP използва протокола CIPsync, който е разширение на комуникационния протокол CIP.

Схематично изображение на мрежа Ethernet/IP с множество възли и свързване на Modbus устройства. Източник: www.icpdas.com.tw

За улесняване на настройката на мрежата Ethernet/IP, повечето стандартни устройства за автоматизация идват с предварително дефинирани конфигурационни файлове.

Реализация на протокола FBUS в компанията Fastwel

Дълго се колебахме дали да включим в този списък руската компания Fastwel с нейната собствена реализация на индустриалния протокол FBUS, но накрая все пак решихме да напишем няколко абзаца за по-добро разбиране на реалностите на вносозамяна.

Съществуват две физически реализации на FBUS. Едната от тях е шина, в която протоколът FBUS работи над стандарта RS485. Освен това има реализация на FBUS в индустриалната мрежа Ethernet.

FBUS трудно да се нарече бърз протокол; времето за отговор много зависи от броя на модулите за вход-изход на шината и от параметрите на обмена, обикновено варира в диапазона от 0,5 до 10 милисекунди. Един подчинен възел FBUS може да съдържа само 64 модула за вход-изход. За полевата шина дължината на кабела не може да надвишава 1 метър, затова става въпрос за разпределени системи само при използване на индустриална мрежа FBUS върху TCP/IP, което означава, че времето за опрашване се увеличава многократно. За свързване на модулите могат да се използват удължители на шината, което позволява удобно разполагане на модулите в автоматизационния шкаф.

Контролер Fastwel с включени модули за вход-изход. Източник: Control Engineering Русия

Общо: как всичко това се използва на практика в АСУ ТП

Разбира се, видовото разнообразие на съвременните индустриални протоколи за предаване на данни е много по-голямо, отколкото описахме в тази статия. Някои са свързани с конкретен производител, а други, обратно, са универсални. При разработката на автоматизирани системи за управление на технологичния процес (АСУ ТП) инженерът избира оптимални протоколи, като взема предвид конкретните задачи и ограничения (технически и бюджетни).

Ако говорим за разпространението на определени протоколи за обмен, можем да представим диаграма на компанията HMS Networks AB, която илюстрира пазарните дялове на различни технологии за обмен в индустриалните мрежи.

Източник: HMS Networks AB

Както се вижда на диаграмата, PRONET и PROFIBUS от Siemens заемат водещи позиции.

Интересно е, че преди 6 години 60% от пазара заемат протоколите PROFINET и Ethernet/IP..

В таблицата по-долу са събрани обобщени данни за описаните протоколи за обмен. Някои параметри, например производителността, са изразени в абстрактни термини: висока / низка. Числовите еквиваленти могат да бъдат намерени в статии за анализ на производителността. 

Сферата на приложение на описаните протоколи за обмен, полевите шини и промишлените мрежи е много разнообразна. Започвайки от химическата и автомобилната индустрия, та стигайки до аерокосмическите технологии и производството на електроника. Високоскоростните протоколи за обмен са търсени в системите за позициониране в реално време на различни устройства и в роботиката.

С кои протоколи сте работили и къде сте ги прилагали? Споделете опит в коментарите. 🙂

Източник: habr.com